成人免费午夜在线观看,伊人久久精品,一区二区三区精品

超導(dǎo)的重要性

對于托卡馬克以及所有磁約束可控核聚變來說，超導(dǎo)非常重要。有三個原因：第一是磁場強度，第二是焦耳熱問題，第三是體積管理。

首先是磁場強度，我們都知道磁約束的原理是用強磁場約束等離子體進行反應(yīng)，而且由于環(huán)向磁場主要由外加線圈提供；極向磁場主要由等離子體電流并輔以外部線圈產(chǎn)生。這一基礎(chǔ)設(shè)計讓外部磁場對托卡馬克性能影響顯著。

在托卡馬克裝置中，磁場強度增強既有利于增加粒子約束能力，又能降低回旋半徑；另一方面強磁場能夠減少粒子的徑向擴散。在實驗中，我們可以大致定性得出結(jié)論，磁場強度的平方與有效約束時間成正比。同時經(jīng)過理論推導(dǎo)和實驗驗證，在至關(guān)重要的聚變功率方面，我們也得到一個結(jié)論：托卡馬克裝置單位體積的聚變功率密度正比于磁場強度的4次方。

這使得無論是Q值還是托卡馬克裝置的最終功率和體積，磁場強度都至關(guān)重要。

在托卡馬克裝置中被約束的等離子體

那什么樣的材料能實現(xiàn)較高的磁場強度呢？這里需要分類討論。從維持較長時間的核聚變反應(yīng)的角度看，超導(dǎo)在持續(xù)強磁場方面相對銅材具有壓倒性優(yōu)勢。

但由于短時間電磁場做功后，微觀粒子相互作用會產(chǎn)生無序熱運動，這會導(dǎo)致在強磁場下，局部電磁能轉(zhuǎn)化為熱能。如果電磁能轉(zhuǎn)化過快，當(dāng)局部溫度快速突破臨界值時，超導(dǎo)材料會出現(xiàn)失超現(xiàn)象。

這使得相對臨界溫度更低的低溫超導(dǎo)在等離子體內(nèi)部峰值磁場強度方面不僅會低于高溫超導(dǎo)一個數(shù)量級乃至更多，甚至?xí)诿爰壋叨壬系陀阢~材料所能提供的峰值磁場強度。這也使得在原型階段，沖擊高參數(shù)的HL-3出于需要頻繁改動、試驗不同磁場波形的需求以及磁場強度需求，選擇銅導(dǎo)體而非如EAST采用全低溫超導(dǎo)。

基于上述討論，我們就可以談?wù)劤瑢?dǎo)對于熱管理和體積管理的影響了。

初中我們就學(xué)習(xí)了焦耳定律，也即電流通過導(dǎo)體時電能轉(zhuǎn)化為熱能Q=I^2Rt。而在托卡馬克中，環(huán)向磁場的強度和外部線圈電流成正比。這使得在大電流情況下，必須要盡可能降低電阻才能有利于長時間的穩(wěn)定工作。所以為了解決這個問題，高溫超導(dǎo)（及未來可能實現(xiàn)的室溫超導(dǎo)）對實現(xiàn)可控核聚變的商用化至關(guān)重要。

而且考慮到托卡馬克裝置單位體積的聚變功率密度理想狀態(tài)下正比于磁場強度的4次方，理論上來說，僅就功率而言，提升一倍的磁場可以讓聚變的功率密度提升16倍，這將顯著降低未來可控核聚變的體積，提高反應(yīng)堆參數(shù)。

所以，在HL-3帶領(lǐng)我們跨過第三階段，也即開展燃燒實驗，實現(xiàn)聚變反應(yīng)、獲得聚變功率階段后。進入第四階段（實驗堆建設(shè)）后，預(yù)計將陸續(xù)啟動多項全超導(dǎo)，尤其是采用高溫超導(dǎo)的托卡馬克堆項目。

根據(jù)計劃，我國的BEST裝置雖然依然以Nb?Sn/NbTi低溫超導(dǎo)材料為主，但會在局部高磁場部件嘗試國產(chǎn)高溫超導(dǎo)。根據(jù)計劃，進一步發(fā)展的CFETR雖然會在主回路磁體依舊延續(xù)ITER的技術(shù)路徑，以Nb?Sn/NbTi超導(dǎo)材料為核心，但是會加入更多的高溫超導(dǎo)材料。當(dāng)然我們不排除隨著以稀土鋇銅氧 （Rare Earth Barium Copper Oxide，REBCO）為代表的高溫超導(dǎo)材料在工業(yè)化生產(chǎn)能力和性能均獲得顯著提升，相關(guān)計劃會提前的可能。

事實上，在私人投資領(lǐng)域，我國已經(jīng)有人進軍全高溫超導(dǎo)托卡馬克裝置。上海初創(chuàng)公司能量奇點能源科技（上海）有限公司在2024年就宣布，從2022年3月開始設(shè)計工作，并于2024年2月安裝完工的全高溫超導(dǎo)托卡馬克裝置“洪荒-70”（HH-70），已經(jīng)在2024年6月18日成功實現(xiàn)等離子體放電。

經(jīng)天磁體及其運行測試系統(tǒng) 能量奇點

根據(jù)能量奇點的計劃，其將在2027年完成下一代強磁場高溫超導(dǎo)托卡馬克裝置——“洪荒-170”（HH-170）的建設(shè)，并希望該裝置實現(xiàn)Q＞10的目標(biāo)。為支持“HH-170”的研發(fā)，能量奇點也在研發(fā)高溫超導(dǎo)D形磁體，內(nèi)部代號為“經(jīng)天”磁體。該磁體已經(jīng)在今年3月產(chǎn)生了高達(dá)21.7T的磁場，超越了美國麻省理工學(xué)院和CFS公司的世界紀(jì)錄。但是這還沒到達(dá)其設(shè)計目標(biāo)，據(jù)悉，該磁體的設(shè)計磁場強度高達(dá)25T，這一指標(biāo)將顯著高于ITER項目采用的磁鐵磁場強度。

值得注意的是，能量奇點公司曾于2022年和2023年分別進行過天使輪和Pre-A輪融資，參投股東包括米哈游、蔚來等企業(yè)。而且這并不是中國范圍內(nèi)唯一的初創(chuàng)可控核聚變企業(yè)，未來隨著技術(shù)的突破以及中國商業(yè)資本越來越多地關(guān)注可控核聚變概念，更多的公司將會出現(xiàn)在我們眼前。

結(jié)語

隨著各國加大對于可控核聚變的投入，可控核聚變技術(shù)已從曾經(jīng)被視為工程上幾乎不可能的挑戰(zhàn)，逐步分解細(xì)化為一系列擁有明確路線圖和時間表的技術(shù)攻關(guān)任務(wù)。而且隨著材料學(xué)的進步，以中國為代表的各國已經(jīng)相對清晰地畫出可控核聚變實現(xiàn)的路線圖和時間表。

根據(jù)我國路線圖，以CFETR為例，計劃于2035年左右建成該裝置并投入運行，初期將實現(xiàn)100-200MW的聚變功率輸出；并計劃在21世紀(jì)40年代實現(xiàn)1GW的凈功率輸出，2050年前建成示范聚變電站并向電網(wǎng)供電。

今年3月27日，新華社就以“商業(yè)化競速：‘人造太陽’如何照進現(xiàn)實？”為題報道了中國商業(yè)核聚變的發(fā)展情況。文中，中核集團聚變領(lǐng)域首席科學(xué)家段旭如表示，“從全球發(fā)展看，聚變商用有望在2050年前后實現(xiàn)，但也不排除隨著高溫超導(dǎo)、人工智能、先進材料等技術(shù)的突破，商業(yè)落地時間進一步提前。”

相信隨著我國相關(guān)計劃的推進，中國可控核聚變乃至世界可控核聚變已經(jīng)從“永遠(yuǎn)的五十年”，逐漸變得觸手可及。

參考文獻：

Abu-Shawareb, H., et al. "Achievement of target gain larger than unity in an inertial fusion experiment." Physical review letters 132.6 (2024): 065102.

杜凱. "國家點火裝置 (NIF) 點火靶制備技術(shù)研究進展." 物理 38.12 (2009): 914-914.

朱少平, and 羅民興. "淺談激光聚變." 物理 53.5 (2024): 287-299.

鐘武律, et al. "磁約束核聚變托卡馬克裝置研究進展與展望." 原子能科學(xué)技術(shù) 58.S2 (2024): 296-307.

Wolfgang Picot, “用托卡馬克和仿星器實現(xiàn)磁聚變約束”, 國際原子能機構(gòu)通報. 5(2021):6-7??

本文系觀察者網(wǎng)獨家稿件，文章內(nèi)容純屬作者個人觀點，不代表平臺觀點，未經(jīng)授權(quán)，不得轉(zhuǎn)載，否則將追究法律責(zé)任。關(guān)注觀察者網(wǎng)微信guanchacn，每日閱讀趣味文章。